JP4857354B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法に関し、具体的には被記録媒体にインクを吐出することにより記録を行うインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。
液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例としては、インクを被記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録方式に適用されるインクジェット記録ヘッドが適用される。このインクジェット記録ヘッドは、一般に、インク流路と、その流路の一部に設けられた吐出エネルギー発生部と、そこで発生するエネルギーによってインクを吐出するための微細なインク吐出口（「オリフィス」と呼ばれる）とを備えている。このような液体吐出ヘッドを製造するための方法が特許文献１に開示されている。この方法においては、吐出エネルギー発生部を有する基板上に感光性材料を用いて流路の型となるパターン層を形成し、その上に流路壁構成部材を設け、その後パターン層を除去することにより流路となる空間を形成する。
上述の流路の型となるパターンにはポジ型感光性樹脂が使用され、このポジ型感光性樹脂のパターニングにはフォトリソグラフィーの手法が用いられる。ポジ型感光性樹脂を露光する際の露光装置としては、必要な露光量の関係により、１対１の倍率で基板全体を一括で露光するタイプの露光装置が用いられる。
しかしながら、特許文献１の方法を使用して液体吐出ヘッドを製造する場合には以下のようなことが想定される。
まず、基板上に設けられた大面積の対象物（ポジ型感光性樹脂）を一括で露光するため、対象物と露光に使用されるマスクとの位置合わせ精度が十分ではない。特に、８〜１２インチ程度の大型ウエハ上で対象物の露光を行う際は、基板の反りやマスクのたわみ等の影響を受けるので、マスクと対象物のアライメント精度が、同一基板内および、露光に共される基板ごとにばらつく場合がある。
また上述したようなポジ型感光性樹脂としては主鎖分解型のものが用いられるが、主鎖分解型のポジ型感光性樹脂は、紫外光に対して感度が低いものが多く、分解反応を十分に生じさせるには、大量のエネルギーを照射する必要がある。このため、露光時の発熱によりマスクと基板が不均一な熱膨張を生じ、解像性およびアライメント精度が低下する場合がある。結果として、エネルギー発生部と流路の型となるパターンの位置ずれが生じるなどして、基板の所望の位置に流路の型となるパターンが形成できない場合が生じる。
また一方で、特許文献１に記載の方法において、ｉ線を用いて流路壁構成部材に吐出口を形成しようとした場合に、所望の形状の吐出口が得られない場合があることが発明者らの検討により分かった。さらなる検討により、露光に用いた光が基板へと到達し、基板面で反射した後、流路の型のパターンを透過して流路壁構成部材の樹脂に至り、その影響によって、吐出口の形状が所望のものと異なってしまっていることが分かった。
本発明は上述した課題を鑑みなされたものであって、液体吐出ヘッドの製造方法において、流路の型のパターンを基板に対して所望の位置に精度よく形成するとともに、所望の吐出口形状を精度よく得ることができる方法を提供するものである。
本発明は、液体を吐出する吐出口と連通する流路の壁を形成する流路壁部材を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、基板上に前記流路の形状を有するパターンを形成するための感光性樹脂からなる第１の層を形成する工程と、前記第１の層の感光波長領域の光と波長３６５ｎｍの光とに吸収を示し、前記流路の形状に対応した形状を有する第２の層を、前記第１の層と接触するように前記第１の層上に設ける工程と、前記第２の層をマスクとして利用して前記第１の層を露光することを含むパターニングを行い、前記第１の層を前記パターンとする工程と、前記第２の層および前記パターンを被覆するように、前記流路壁部材となる感光性樹脂からなる被覆層を、前記基板上に設ける工程と、前記被覆層に対してｉ線による露光を含むパターニングを行い前記吐出口を形成する工程と、前記第２の層および前記パターンを除去することにより前記流路を形成する工程と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法である。
本発明によれば、基板のエネルギー発生部とインク流路および吐出口との位置関係を高精度かつ再現性良く制御でき、印字特性の良好な液体吐出ヘッドを再現よく製造できる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中で同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。
液体吐出ヘッドはインクジェット記録方式に使用されるインクジェット記録ヘッドに適用可能である。しかし本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチプ作成や電子回路印刷等にも適用できる。
なお、液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。例えば、バイオッチップ作成や電子回路印刷、薬物を噴霧状に吐出するなどの用途としても用いることができる。
例えば、この液体吐出ヘッドを記録用途として用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うこともできる。なお、本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。
まず、本発明の液体吐出ヘッドの一例について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す模式図である。
本発明の一例の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生するエネルギー発生素子５が所定のピッチで形成された基板１を有している。基板１にはインクを供給する供給口８が、エネルギー発生素子５の２つの列の間に開口されている。基板１上には、各エネルギー発生素子５の上方に開口する吐出口４と、供給口８から各吐出口４に連通する個別のインクの流路７が形成されている。
また吐出口部材３は、供給口８から各吐出口４に連通する個別の流路７の壁を形成する流路壁部材としても機能している。無論、吐出口部材３と別体で流路壁部材が設けられていてもよい。また、吐出口４の位置は、上記のエネルギー発生素子５と対向する位置に限定されるものではない。
この液体吐出ヘッドは、吐出口４が形成された面が記録媒体の記録面に対面するように配置される。そして、供給口８を介して流路内に充填された液体に、エネルギー発生素子５によって発生するエネルギーが利用され、吐出口４から液滴を吐出させ、これを記録媒体に付着させることによって記録を行う。エネルギー発生素子としては、熱エネルギーとして電気熱変換素子（所謂ヒーター）等、力学的エネルギーとして、圧電素子等があるが、これらに限定されるものではない。次いで本発明による記録ヘッドの構造の特徴について図２を参照して詳しく説明する。
図２は、図１におけるＡ−Ａ’を通り基板に垂直な面で見た本発明の一実施形態に係る記録ヘッドの模式的断面図である。
図２（ａ）に示されるように、吐出口４は、吐出口部材３において、表面の開口部分とし、流路７と吐出口４とを連通する部分を吐出部１５として区別して呼称する場合がある。また吐出部１５の形状は基板側から吐出口４に向かうにつれて、基板１に平行な断面の面積が小さくなっていくような所謂テーパー形状であってもよい。
また、図２（ｂ）に示すように、吐出口部材３と基板１との間に流路７の側壁をなす流路側壁部材１６が設けられていてもよい。
次いで、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法について、図３〜５を用いて説明する。なお図３〜５は図２と同様の断面である。
まず図３（ａ）に示されるように、表面にヒーター５及びそれを保護するＳｉＮのような膜質層１４が形成された基板１上に、感光性樹脂からなる第１の層９が設けられたものを用意する。ヒーター５は液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子としての役割を果たす。第１の層９は流路と流路の一部分である液体のチャンバとなる領域を占有し、流路の形状を有するパターンとなる。第１の層９を形成するための感光性樹脂としては、ポジ型感光性樹脂が好適で、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）をシクロヘキサノンに溶解させて使用することが好ましい。他には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）をジエチレングリコールジメチルエーテルに溶解させて使用するポジ型レジストが挙げられ、５．０μｍ〜１５．０μｍの厚さにスピンコート法、ロールコート法、スリットコート法等の塗布方法で形成する。
次に図３（ｂ）に示されたように、基板上の第１の層９の上に、前記流路の形状に対応した形状を有する第２の層１０ａを形成するための材料層を形成する。当該材料層は第１の層をパターニングする際のマスクとなるため、第１の層の感光波長領域内の光を吸収することが可能な材料により形成される。第１の層の露光波長のうち、第１の層が感光してポジ化する波長を吸収することが求められる。また後述する被覆層の感光波長域内の光を吸収することももとめられる。このような材料層としてｉ線反射防止膜１０を用いた例に基づき説明する。ｉ線に関する詳述は後で行うが、ここでのｉ線は、少なくとも波長３６５ｎｍを中心とする光である。ｉ線反射防止膜１０を形成する材料としては、ｉ線に対して十分な吸収をもち、且つ容易に溶解除去可能な膜厚でその吸収特性を発揮できるものが望ましい。また、後の工程で第１の層９をパターニングする際のマスクとしてｉ線反射防止膜１０の一部が使用される。このため、ｉ線反射防止膜１０は、第１の層９の感光波長領域の光に対して吸収を示すものが好ましく、より好ましくは光を透過させないほど吸収を示すものが好ましい。たとえば、以下のように下記（Ａ）を下記（Ｂ）で架橋させた材料が使用される。
（Ａ）水酸基を有するビスフェニルスルホン類及びベンゾフェノン類の中から選ばれた１種のヒドロキシ化合物とアクリル酸又はメタクリル酸とのエステルを単量体の一部として用いて得た重合体又は共重合体。
（Ｂ）ヒドロキシアルキル基又はアルコキシアルキル基あるいはその両方で置換されたアミノ基を少なくとも２個有する含窒素化合物の中から選ばれた架橋剤で架橋させて得られるレジスト。
上記（Ａ）は、例えば以下の式（１）で表される。
［式中のＲ１は水素原子又はメチル基、Ｘは−ＳＯ２−、−ＣＯ−であり、Ｒ２及びＲ３はそれぞれ同一でも異なっていてもよく、またＲ２、Ｒ３が複数ある場合、それぞれ同一でも異なっていてもよい、Ｒ２及びＲ３は以下から選択される。
水素原子、水酸基、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン原子、アミノ基、低級ジアルキルアミノ基、カルボキシル基又はｔｅｒｔ‐ブトキシ基、ｔｅｒｔ‐ブトキシカルボニルオキシ基。低級アルコキシアルコキシ基、テトラヒドロピラニルオキシ基、テトラヒドロフラニルオキシ基。ただし、Ｒ２とＲ３がともに水素原子となることはない。
また、ｎは４以下、ｍは５以下の自然数である］
上記ｉ線反射防止膜１０に用いることができる市販品としては、東京応化工業（株）製 ＳＷＫ−Ｔ７ ＬＥなどがある。
また、ｎは４以下、ｍは５以下の自然数である］
上記ｉ線反射防止膜１０に用いることができる市販品としては、東京応化工業（株）製 ＳＷＫ−Ｔ７ ＬＥなどがある。
ｉ線反射防止膜１０は０．３μｍ〜１．０μｍの厚さでスピンコート法、ロールコート法、スリットコート法等の塗布方法で形成する。
次に図３（ｃ）に示されるように、第１の層上のｉ線反射防止膜１０の上にｉ線反射防止膜１０をパターニングするためのレジストマスクとなるフォトレジスト１１を形成する。この第２の層１０ａを形成するための材料層上に設けられたフォトレジスト１１に好適な材料としては、ナフトキノンジアジド化合物とノボラック樹脂を含有するポジ型レジストが挙げられる。後のｉ線反射防止膜１０へのドライエッチング時の選択比と前記第１の層９のマスク材として用いることを鑑みて、前記ｉ線反射防止膜の等倍以上の厚さで０．３μｍ〜２．０μｍでスピンコート法、ロールコート法、スリットコート法等の塗布方法で形成する。
次に図３（ｄ）に示されたように、フォトレジスト層１１をマスク１２を使用し露光を行う。露光には最も汎用的なｉ線（３６５ｎｍ）などが使用される。その後、図３（ｅ）に示されたように所定のエッチング液で現像することで、フォトレジスト層１１は、流路の形状に対応した形状のレジストパターン層１１ａとなる。
次に、図３（ｆ）に示されるようにレジストパターン層１１ａをマスクとして、ｉ線反射防止膜１０をドライエッチングすることでｉ線反射防止膜１０を流路の形状に対応した形状の第２の層１０ａとする。第２の層１０ａは、流路を吐出口側から基板に向かう側に見た場合の流路の平面形状とほぼ一致する。後述のフォトリソ工程等の誤差分は無論考慮されるべきで、完全に一致をしている必要はない。
次いで、図３（ｇ）に示されるように、レジストパターン層１１ａを除去する。
次いで、図３（ｈ）に示されたように、第２の層１０をマスクとして、前記第１の層９を全面露光する。
その後に、図３（ｉ）に示されたように、所定のエッチング液で現像することで、第１の層９を、後に形成される流路の形状を有するパターン（流路パターン）９ａとする。
次いで、図３（ｈ）に示されたように、第２の層１０をマスクとして、前記第１の層９を全面露光する。
その後に、図３（ｉ）に示されたように、所定のエッチング液で現像することで、第１の層９を、後に形成される流路の形状を有するパターン（流路パターン）９ａとする。
第１の層９を露光する上で、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光を用い、全面照射するが、第２の層１０ａをマスクとすることで、プロキシミティ露光時の回折光によるパターン垂直性の鈍化は防止できる。また、接触マスクを設けて感光性樹脂を露光するため、レジストをパターニングする場合に、基板と感光性樹脂との熱膨張差から生じるアライメント誤差も低減できる。
また、図４に示されるように、第２の層１０ａ上にレジストパターン層１１ａが設けられた状態で第１の層９を露光することも可能である。第２の層上にレジストパターン層１１ａがある場合は、レジストパターン層１１ａが第１の層９を露光する光を反射または吸収可能である場合には、第１の層９に対しての遮光に寄与できる。その後に流路パターン９ａを形成してからレジストパターン１１ａを除去することで、図３（ｉ）の状態とすることができる。
その後、図５（ａ）に示されるように、パターン９ａ及び第２の層１０ａを被覆するように、流路壁部材となる感光性樹脂からなる被覆層３を、１０μｍ〜３０μｍの厚さになるようにスピンコート法、ロールコート法、スリットコート法等の塗布方法で形成する。樹脂３は感光性のもので、エポキシ樹脂を用いることで優れたパターニング精度と形状を得ることができる。
次に図５（ｂ）に示されたように、被覆層３を所定のパターンに露光する。この時にマスク１３を使用し、ｉ線（３６５ｎｍ）を用いて露光した後、図５（ｃ）に示されたように所定のエッチング液で現像することで、吐出口４が形成される。ここで、ｉ線は中心波長が３６５ｎｍで半値幅が約５ｎｍの光とする。通常のｉ線露光機を使用すると、水銀ランプ等から放たれる光のうちｉ線以外の波長の光をカットして、対象物に照射することとなる。
ここでｉ線を被覆層３に照射し、吐出口４の形成を行う際、第２の層１０ａが線を吸収することにより、吐出口４の変形を抑制できる。被覆層３を透過した光が直接第２の層１０ａに照射されることと、被覆層３を透過した光が基板１の表面で反射したものを第２の層１０ａが吸収することで、基板１の表面で反射したｉ線が被覆層３に照射されるのを抑制することが可能となる。
そして、図５（ｄ）に示されたように基板１の裏面からアルカリ系のエッチング液に浸漬して、エッチングを行い、供給口８を形成する。
その後、図５（ｅ）に示されたように吐出口４及び、供給口８からパターン９ａと第２の層１０ａを適切なエッチング液を用いることで除去することにより流路７およびチャンバ６を形成する。なお、チャンバ６は流路７の一部であり、エネルギー発生素子による吐出エネルギー発生領域に対応する。
（実施例１）
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
基板１の表面にヒータ５及びそれを保護する膜質層１４が形成されたシリコンウエハー上に、第１の層９としてのポリメチルイソプロペニルケトンの層９（東京応化製 ＯＤＵＲ）を、１３．５μｍの厚さにスピンコートで形成した（図３（ａ））。
次いで、前記第１の層９上にｉ線反射防止膜１０として、ｉ線吸収膜（東京応化工業（株）製 ＳＷＫ−Ｔ７ ＬＥ）を、０．５μｍの厚さでスピンコートで形成した（図３（ｂ））。上記ＳＷＫ−Ｔ７ ＬＥは０．３μｍ以上で、ｉ線をほぼ遮蔽することができることが知られている。
次に、ｉ線吸収膜１０の上にフォトレジスト１１として、ナフトキノンジアジド化合物とノボラック樹脂を含有するポジ型レジスト（東京応化製 ＯＦＰＲ−８００）を、１．０μｍの厚さでスピンコートで形成した（図３（ｃ））。
フォトレジスト層１１ａをマスク１２を使用して１００ｍＪ／ｍ２にて露光を行った。露光はｉ線ステッパー（キヤノン製）を用いて露光した。
その後、フォトレジスト層１１をテトラメチルアンモニウムヒドロキシド溶液 を主成分とする液で現像して、流路の形状に対応する形状のレジストパターン層１１ａを形成した（図３（ｅ））。
次に、レジストパターン層１１ａをマスクとしてｉ線反射防止膜１０をドライエッチングしてフォトレジスト層１１ａの形状と同様に流路の形状に対応する形状の第２の層１０ａを形成した（図３（ｆ））。ドライエッチングはエッチング装置（ＮＬＤ−６０００（アルバック（株）製）でＣＦ４とＯ２を用いて行った。
次に、レジストパターン層１１ａと第２の層１０ａとをマスクとして利用して前記第１の層９を２３Ｊ／ｃｍ２で全面露光した（図４）。
次いで、レジストパターン１１ａと第１の層の被露光部分とを一括して除去することにより、第２の層１０ａが設けられた流路パターン９ａを得た（図３（ｉ））。
次いで、第２の層１０ａと流路パターン９ａとを被覆するように、ネガ型感光性樹脂（下記組成）からなる被覆層３を、１１μｍの厚さになるようにスピンコートで形成した（図５（ａ））。
（組成）
エポキシ樹脂：ＥＨＰＥ−３１５０（ダイセル化学（株）製） ５３重量％
光カチオン重合開始剤：ＳＰ−１７２（旭電化工業（株）製） ３重量％
メチルイソブチルケトン ４４重量％
次いで、被覆層３を所定のパターンに露光する。この時にマスク１３を使用し、ｉ線ステッパー（ＦＰＡ３０００ｉ５＋（キヤノン（株）製））を用いて４０００Ｊ／ｍ２で露光した後、メチルイソブチルケトンで現像し、φ９〜φ１６の吐出口４を形成した。
エポキシ樹脂：ＥＨＰＥ−３１５０（ダイセル化学（株）製） ５３重量％
光カチオン重合開始剤：ＳＰ−１７２（旭電化工業（株）製） ３重量％
メチルイソブチルケトン ４４重量％
次いで、被覆層３を所定のパターンに露光する。この時にマスク１３を使用し、ｉ線ステッパー（ＦＰＡ３０００ｉ５＋（キヤノン（株）製））を用いて４０００Ｊ／ｍ２で露光した後、メチルイソブチルケトンで現像し、φ９〜φ１６の吐出口４を形成した。
そして、基板１の裏面からアルカリ系のエッチング液であるテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等の液に浸漬して、エッチングを行い、供給口８を形成した（図５（ｄ））。
前記吐出口４及び、供給口８から流路パターン９ａおよび第２の層１０ａを除去してチャンバ部６含む流路７を形成した（図５（ｅ））。
１ 基板
３ 被覆層
４ 吐出口
５ エネルギー発生素子
６ 流路
７ チャンバ
８ 供給口
９ 第１フォトレジスト
１０ ｉ線反射防止膜
１０ａ 第２の層
１１ａ レジストパターン
３ 被覆層
４ 吐出口
５ エネルギー発生素子
６ 流路
７ チャンバ
８ 供給口
９ 第１フォトレジスト
１０ ｉ線反射防止膜
１０ａ 第２の層
１１ａ レジストパターン
Claims (9)
- 液体を吐出する吐出口と連通する流路の壁を具える流路壁部材と、該流路壁部材と接することで前記流路を形成する基板と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記流路の形状を有するパターンとなる、感光性樹脂からなる第１の層を前記基板上に設ける工程と、
前記感光性樹脂の感光波長領域内の光を吸収することが可能な、前記流路の形状に対応した形状を有する第２の層を、前記第１の層と接触するように前記第１の層上に設ける工程と、
前記第２の層をマスクとし前記光を用いた前記第１の層の露光を含む前記第１の層のパターニングを行い、前記第１の層から前記パターンを形成する工程と、
前記第２の層および前記パターンを被覆するように、前記流路壁部材となる、感光性樹脂からなる被覆層を設ける工程と、
前記光を用いた前記被覆層の露光を含む前記被覆層のパターニングを行い、前記被覆層に前記吐出口を形成する工程と、
前記第２の層および前記パターンを除去することにより前記流路を形成する工程と、
を有する液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第２の層を前記第１の層上に設ける工程は、
前記第２の層となる材料層を前記第１の層上に設ける工程と、
前記パターンに対応した形状を有するレジストパターン層を前記材料層上に設ける工程と、
前記レジストパターン層をマスクとして前記材料層をエッチングすることにより前記材料層を前記第２の層とする工程と、
を有し、
前記第２の層上に前記レジストパターン層が設けられた状態で前記第１の層を露光することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第２の層上に前記レジストパターン層が設けられた状態で前記第１の層を露光した後に、前記レジストパターン層と前記第１の層の露光された部分とを一括して除去する工程を有することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第２の層上に前記レジストパターン層が設けられた状態で前記第１の層を露光し、前記レジストパターン層を除去した後に、前記第２の層および前記パターンを被覆するように、前記流路壁部材となる感光性樹脂からなる被覆層を、前記基板上に設けることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記被覆層はネガ型感光性樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第１の層はポジ型感光性樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記被覆層に対してｉ線を用いて露光を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第２の層は前記被覆層の感光波長域内の光を吸収する層である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第２の層は、（Ａ）水酸基を有するビスフェニルスルホン類及びベンゾフェノン類の中から選ばれた１種のヒドロキシ化合物とアクリル酸又はメタクリル酸とのエステルを単量体の一部として用いて得た重合体又は共重合体を（Ｂ）ヒドロキシアルキル基又はアルコキシアルキル基あるいはその両方で置換されたアミノ基を少なくとも２個有する含窒素化合物の中から選ばれた架橋剤で架橋させて得られるレジスト、で架橋させた材料を含有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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